DE10203488A1 - Synchronisiereinrichtung und Druckstück für ein Schaltgetriebe - Google Patents

Abstract

Es wird eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe beschrieben, bei der ein auf der Getriebewelle (10) drehfest angeordneten Synchronkörper (14) und wenigstens einem auf der Getriebewelle (10) verdrehbar angeordneten Kupplungskörper (18, 20), der eine Schaltverzahnung (22, 24) und einen Reibkonus (26, 28) aufweist, vorgesehen sind. Auf dem Synchronkörper (14) ist drehfest, aber axial verschiebbar eine Schaltmuffe (46) mit Klaueninnenverzahnung angeordnet. Es ist wenigstens ein Synchronring (34, 36) vorgesehen, der einen mit dem Reibkonus (26, 28) zusammenwirkenden Gegenkonus (38, 40) und eine Sperrverzahnung (42, 44) aufweist. Auf dem Innenumfang der ringförmigen Schaltmuffe (46) befinden sich, gleichmäßig verteilt, angeordnete Druckstücke (54), durch die axiale Kräfte von der Schaltmuffe (46) auf den Synchronring (34, 36) übertragbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Druckstück (54) für eine derartige Synchronisiereinrichtung. DOLLAR A Um die Schaltkraft der Synchronisiereinrichtung in der Phase des Gleichlaufs herabzusetzen, wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine zwischen den Druckstücken (54) und dem Synchronring (34, 36) ausgebildete Reibkontaktfläche (56, 58) aus einem reibungsvermindernden Material besteht, derart, dass einer Relativbewegung lediglich ein geringes Gleitreibungsmoment entgegenwirkt. Insbesondere kann das Druckstück wenigstens auf seiner Reibkontaktfläche ein reibungsverminderndes Material mit guten Gleiteigenschaften aufweisen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe mit einem auf einer Getriebewelle drehfest angeordneten Synchronkörper und wenigstens einem auf der Getriebewelle verdrehbar angeordneten Kupplungskörper, der eine Schaltverzahnung und einen Reibkonus aufweist. Auf dem Synchronkörper ist drehfest, aber axial verschiebbar eine Schaltmuffe mit Klaueninnenverzahnung angeordnet. Es ist wenigstens ein Synchronring vorgesehen, der einen mit dem Reibkonus zusammenwirkenden Gegenkonus und eine Sperrverzahnung aufweist. Insbesondere ist der Synchronring im Synchronkörper derart geführt, dass er sich bezüglich des Synchronkörpers lediglich um einen bestimmten Betrag verdrehen lässt. Auf dem Innenumfang der ringförmigen Schaltmuffe befinden sich gleichmäßig verteilt angeordnete Druckstücke, durch die axiale Kräfte von der Schaltmuffe auf den Synchronring übertragbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Druckstück für eine derartige Synchronisiereinrichtung.
• Synchronisiereinrichtungen der genannten Art basieren vorzugsweise auf dem System "Borg-Warner" und finden in Fahrzeuggetrieben eine breite Anwendung (G. Lechner, H. Naunheimer: "Fahrzeuggetriebe, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1994, Seiten 238-241). Bei diesen Synchronisiereinrichtungen wird die Schaltkraft arbeitsteilig über die Druckstücke und die Klauenverzahnungen, welche Dachschrägen aufweist, in den Synchronring eingeleitet. Dabei wird beim Ansynchronisieren zunächst die anstehende Schaltkraft durch eine Axialbewegung der Schaltmuffe über Reibkontaktflächen der Druckstücke auf den Synchronring übertragen, wobei der Gegenkonus des Synchronrings mit dem Reibkonus des Kupplungskörpers in Eingriff tritt. Bei einer weiteren axialen Bewegung der Schaltmuffe berühren sich die Dachschrägen der Klaueninnenverzahnung der Schaltmuffe und der Klauenaußenverzahnung des Synchronringes, so dass in der Hauptsynchronisationsphase die Schaltkraft arbeitsteilig über die Druckstücke und die Klauen in den Synchronring eingeleitet und der Reibschluss der Konusausbildung erhöht wird. Durch die Ausbildung der Dachschrägen entsteht ein Verzahnungsmoment (auch Indexmoment genannt), dass bestrebt ist den Synchronring relativ zum Kupplungskörper zu verdrehen. Dieses Verzahnungsmoment ist jedoch kleiner als das durch die Relativbewegung zwischen Synchronring und Kupplungskörper erzeugte schließende Reibmoment (auch Konusmoment genannt), so dass sich die Schaltmuffe in der Rutschphase der Konusausbildung nicht schalten lässt. Mit Erreichen des Gleichlaufs strebt das Reibmoment gegen Null, so dass das Verzahnungsmoment größer als das Reibmoment wird und über die Dachschrägen ein Rückdrehen des Synchronrings bewirkt. Damit ist eine Axialbewegung der Schaltmuffe und ein Durchschalten der Synchronisiereinrichtung möglich.
• Beim Rückdrehen des Synchronrings wird dieser unter der noch anstehenden Schaltkraft relativ zu den Druckstücken verdreht. Die dabei an den Druckstücken entstehende Reibkraft wirkt dem Rückdrehen des Synchronrings entgegen und erhöht in nachteiliger Weise die zum Aufbringen des Verzahnungsmoments erforderliche Schaltkraft.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Synchronisiereinrichtung sowie ein Druckstück für eine Synchronisiereinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, durch welche die vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll die Schaltkraft der Synchronisiereinrichtung in der Phase des Gleichlaufs herabgesetzt werden.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre eines der Patentansprüche 1 oder 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Bei einer eingangsgenannten Synchronisiereinrichtung besteht die zwischen den Druckstücken und dem Synchronring ausgebildete Reibkontaktfläche erfindungsgemäß aus einem reibungsvermindernden Material, das derart ausgewählt wird, dass einer Relativbewegung zwischen Synchronring und Druckstück lediglich ein minimales Gleitreibungsmoment entgegenwirkt. Dies hat zur Folge, dass beim Rückdrehen des Synchronrings die zwischen den Druckstücken und dem Synchronring auftretende Reibkraft praktisch gegen Null geht oder sehr klein bleibt und dass die zum Aufbringen des Verzahnungsmoments erforderliche Schaltkraft nicht, oder nicht wesentlich durch eine Reibkraft erhöht wird. Durch die Auswahl eines geringen Reibwertes der Reibkontaktfläche zwischen Druckstück und Synchronring lässt sich somit die Schaltkraft in der Phase des Rückdrehens des Synchronringes deutlich verringern.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die hier vorliegende Reibung nach tribologischen Gesichtspunkten als Gleitreibung unter Anwesenheit eines Zwischenstoffs (insbesondere Getriebeöl) unter Atmosphären-Bedingungen aufgefasst werden kann. Aufgrund der relativ hohen Normalkräfte zwischen den Druckstücken und dem Synchronring sowie der Oberflächengüte der Reibpartner kann von Mischreibung ausgegangen werden, bei welcher der Schmierung durch das Getriebeöl eine eher untergeordnete Bedeutung zukommt. Die Gleitreibung, bzw. die makroskopisch messbare Reibkraft, setzt sich aus einer Adhäsions-, einer Deformations- und einer Abrasionskomponente zusammen. Durch Oberflächenschutzschichten auf einem oder beiden Reibpartnern können insbesondere die Adhäsions- und Abrasionskomponenten beeinflusst werden. Adhäsionskräfte zwischen zwei kontaktierenden Körpern werden durch molekulare Wechselwirkungen in den Kontaktflächen hervorgerufen und sind um so größer, je ähnlicher der molekulare Bereich beider Reibpartner strukturiert ist. Reibungsmindernde Schichten verringern die Adhäsionsneigung zwischen ähnlichen Materialstrukturen in der Regel dadurch, dass auf einen Partner eine Schicht mit einer abweichenden Materialstruktur aufgebracht wird. Bei nichtkristallinen (amorphen) Schichten können ggf. durch die Beschichtung beider Reibpartner weitere Reibungsminderungen gegenüber der Ausgangspaarung (z. B. Stahl/Stahl) erzielt werden.
• Durch die Aufbringung einer reibungsmindernden und den übrigen Erfordernissen des Tribosystems angepassten Beschichtung auf einen oder beide Reibpartner (Druckstück und/oder Synchronring) lässt sich die Schaltkraft in der Phase des Rückdrehens des Synchronrings erheblich vermindern. An den unter Mischbedingungen nicht mehr vom Schmierstoff benetzten Kontaktbereichen der Reibpartner wird die Reibkraft überwiegend von der Adhäsionskomponente geprägt.
• Vorzugsweise sind aufgrund ihrer einfachen geometrischen Gestalt alle Druckstücke einer Synchronisiereinrichtung mit einem reibungsvermindernden Material beschichtet. Prinzipiell kann der Synchronring an den Kontaktflächen zu den Druckstücken ebenfalls mit einem reibungsvermindernden Material beschichtet werden. Die Aufgabenteilung zwischen Oberflächen- und Grundwerkstoff-Funktion des Werkstoffverbunds erlaubt darüber hinaus ggf. die Verwendung eines oder zweier kostengünstiger Grundwerkstoffe der Reibpaarung Druckstück/Synchronring.
• Insbesondere für den Fall, dass die Druckstücke aus Metall, beispielsweise als Metallspritzgussteil aus Leichtmetall (z. B. Aluminium-Legierung) oder aus Feinguss (z. B. Einsatzstahl 16 MnCr5 oder Baustahl) bestehen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Beschichtung der Druckstücke Kunststoff, beispielsweise Teflon enthält.
• Ergänzend oder alternativ hierzu kann auch die den Druckstücken zugewandte Reibfläche des Synchronrings entsprechend beschichtet sein.
• Soweit das Druckstück einer Synchronisiereinrichtung als solches betroffen ist, sieht die Erfindung vor, dass das Druckstück wenigstens auf seinen Reibkontaktflächen ein reibungsverminderndes Material mit guten Gleiteigenschaften aufweist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Druckstück aus Metall (z. B. wie oben angegeben) und ist wenigstens auf seinen Reibkontaktflächen mit einem reibungsvermindernden Material beschichtet. Als Beschichtung kommt vorzugsweise ein Kunststoff, beispielsweise Teflon zum Einsatz.
• Bei einer hierzu alternativen Ausgestaltung ist das Druckstück durch Abscheiden von Metall-Kohlenwasserstoff-Schichten, die vorzugsweise Wolframkarbit-Kohlenstoff enthalten, aus der Dampfphase beschichtet. Als Abscheideverfahren eignen sich insbesondere das PDV-Verfahren (Physical Vapor Deposition) und das CDV-Verfahren (Chemical Vapor Deposition). Ein geeignetes PVD-Verfahren wurde beispielsweise in "WC/C-Beschichtung für die Großserie", antriebstechnik 40 (2001) 6, Seiten 34-38 beschrieben. Eine derartige PVD-Beschichtung stellt neben der geringen Adhäsion durch die inkorporierten Hartstoffe die erforderliche Verschleißbeständigkeit der Beschichtung sicher.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Druckstück komplett aus einem reibungsvermindernden Material mit guten Gleiteigenschaften. Hier ist eine gesonderte Beschichtung der Reibflächen nicht erforderlich. Als Kunststoff kommt hier vorzugsweise ein Kunststoff auf Polyamidbasis in Betracht.
• Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben und erläutert.
• Die einzige Figur zeigt das Schnittbild einer erfindungsgemäßen Synchropisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe. Auf einer Getriebewelle 10 ist mittels eine Verzahnung 12 ein Synchronkörper 14 drehfest angeordnet. Beiderseits des Synchronkörpers 14 ist auf der Getriebewelle 10 über Nadellager 16 je ein Kupplungskörper 18, 20 drehbar gelagert. Die Kupplungskörper 18, 20 enthalten je eine Schaltverzahnung 22, 24, einen Reibkonus 26, 28 und ein Getriebezahnrad 30, 32 mit unterschiedlichem Durchmesser. Auf seinen beiden axialen Seiten ist im Synchronkörper 14 je ein Synchronring 34, 36 über nicht näher dargestellte Anschlagnasen auf übliche Weise geführt. Die Anschlagnasen der Synchronringe 34, 36 sind schmaler als entsprechende Nuten im Synchronkörper 14, so dass sich der Synchronring 34, 36 lediglich um einen begrenzten Betrag relativ zum Synchronkörper 14 verdrehen lässt. Jeder Synchronring 34, 36 enthält einen mit dem Reibkonus 26, 28 des zugehörigen Kupplungskörpers 18, 20 zusammenwirkenden Gegenkonus 38, 40 sowie eine Sperrverzahnung 42, 44.
• In eine Außenverzahnung des Synchronkörpers 14 greift die Innenverzahnung einer Schaltmuffe 46 derart ein, dass die Schaltmuffe 46 drehfest, aber axial verschiebbar auf dem Synchronkörper 14 angeordnet ist. Drei auf dem Umfang des Synchronkörpers 14 gleichmäßig verteilte Ausnehmungen nehmen je einen Kugelbolzen 48 auf, von denen lediglich einer dargestellt wurde. Die Kugelbolzen 48 werden jeweils durch eine zugehörige Druckfeder 50 nach außen in eine Umfangsinnennut 52 der Schaltmuffe 46 gedrückt. Auf dem Innenumfang der ringförmig ausgebildeten Schaltmuffe 46 sind drei Druckstücke 54 angeordnet, die jeweils eine radial verlaufende Bohrung enthalten. Durch diese Bohrung erstreckt sich jeweils einer der Kugelbolzen 48.
• Vor Beginn des Schaltens wird die Schaltmuffe 46 mittels einer Rastung, bei der die Kugelbolzen 48 in die Umfangsinnennut 52 eingreifen, in der dargestellten Mittelstellung gehalten. Dabei wird keine formschlüssige Verbindung zwischen dem Synchronkörper 14 und einem der beiden Kupplungskörper 18, 20 hergestellt. Zum Gangeinlegen wird auf übliche Weise auf die Schaltmuffe 46 eine axiale Schaltkraft ausgeübt, durch die eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 46 eingeleitet wird. Diese Schaltkraft wird durch die Kugelbolzen 48 auf die Druckstücke 54 übertragen, die auf eine radial ausgerichtete Stirnfläche 56, 58 des jeweiligen Synchronrings 34, 36 drücken und somit den Synchronring 34, 36 axial verschieben und den Gegenkonus 38, 40 mit dem Reibkonus 26, 28 in Eingriff bringen (Ansynchronisieren). Hierdurch wird ein Konusmoment von dem Kupplungskörper 18, 20 auf den Synchronring 34, 36 übertragen, so dass sich der Synchronring 34, 36 innerhalb des durch die Anschlagnasen definierten Drehbereichs verdreht, wobei die Klaueninnenverzahnung der Schaltmuffe 46 und die Klauenaußenverzahnung des Synchronrings 34, 36 eine Lage einnehmen, in der sich ihre jeweiligen Dachschrägen gegenüberstehen.
• Bei einer weiteren axialen Bewegung der Schaltmuffe 46 berühren sich die Dachschrägen der Klaueninnenverzahnung der Schaltmuffe 46 und der Klauenaußenverzahnung des Synchronringes 34, 36, so dass in der Hauptsynchronisationsphase die Schaltkraft arbeitsteilig über die Druckstücke 54 und über die Klauenverzahnung in den Synchronring 34, 36 eingeleitet und der Reibschluss der Konusausbildung erhöht wird. Mit Erreichen des Gleichlaufs zwischen Synchronring 34, 36 und Kupplungskörper 18, 20 strebt das Reibmoment gegen Null, so dass das von den Dachschrägen herrührende Verzahnungsmoment größer als das Reibmoment wird und der Synchronring 34, 36 zurückgedreht wird. Damit kann die Klaueninnenverzahnung der Schaltmuffe 46 in die Klauenaußenverzahnung des Synchronringes 34, 36 eintreten und die Schaltmuffe 46 axial verschoben werden. Gleichzeitig überwindet die Schaltmuffe 46 ihre Raststellung und die Kugelbolzen 48 verlassen die Umfangsinnennut 52. Der Schaltvorgang wird beendet, in dem die Klaueninnenverzahnung der Schaltmuffe in die Sperrverzahnung 42, 44 des Kupplungskörpers 18, 20 eingreift.
• Die axial ausgerichteten Stirnflächen 56, 58 der Synchronringe 34, 36 und die mit diesen zusammenwirkenden Flächen der Druckstücke 54 bilden Reibkontaktflächen, die aus einem reibungsvermindernden Material bestehen, welches eine Relativbewegung zwischen dem Synchronring 34, 36 und den Druckstücken 54 weitgehend frei von Reibungskräften zulässt. Damit erfordert das Rückdrehen des Synchronringes 34, 36 beim Erreichen des Gleichlaufs keinen nennenswerte zusätzliche Schaltkraft.
• Auch wenn die Erfindung lediglich anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.

Claims (11)

1. Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe mit einem auf einer Getriebewelle (10) drehfest angeordneten Synchronkörper (14),
mit wenigstens einem auf der Getriebewelle (10) verdrehbar angeordneten Kupplungskörper (18, 20), der eine Schaltverzahnung (22, 24) und einen Reibkonus (26, 28) aufweist,
mit einer auf dem Synchronkörper (14) drehfest, aber axial verschiebbar angeordneten Schaltmuffe (46) mit Klaueninnenverzahnung,
mit wenigstens einem Synchronring (34, 36), der einen mit dem Reibkonus (26, 28) zusammenwirkenden Gegenkonus (38, 40) und eine Sperrverzahnung (42, 44) aufweist,
mit auf dem Innenumfang der Schaltmuffe (46) verteilt angeordneten Druckstücken (54), durch die axiale Kräfte von der Schaltmuffe (46) auf den Synchronring (34, 36) übertragbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zwischen den Druckstücken (54) und dem Synchronring (34, 36) ausgebildete Reibkontaktfläche (56, 58) aus einem reibungsvermindernden Material besteht, derart dass einer Relativbewegung lediglich ein geringes Gleitreibungsmoment entgegenwirkt.

2. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkontaktfläche (56, 58) des Druckstückes (54) und/oder die Reibkontaktfläche (56, 58) des Synchronringes (34, 36) mit einem reibungsvermindernden Material beschichtet ist.

3. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Beschichtung aus Kunststoff, beispielsweise aus Teflon besteht.

4. Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Druckstück (54) nach einem der Ansprüche 5 bis 11.

5. Druckstück für eine Synchronisiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) wenigstens auf seinen Reibkontaktflächen (56, 58) ein reibungsverminderndes Material mit guten Gleiteigenschaften aufweist.

6. Druckstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) aus Metall besteht und wenigstens auf seinen Reibkontaktflächen (56, 58) mit einem reibungsvermindernden Material beschichtet ist.

7. Druckstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Kunststoff, beispielsweise aus Teflon besteht.

8. Druckstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) durch Abscheiden von Metall- Kohlenwasserstoff aus der Dampfphase beschichtet ist.

9. Druckstück nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) mit WC/C beschichtet ist.

10. Druckstück nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) aus einem reibungsvermindernden Material mit guten Gleiteigenschaften besteht.

11. Druckstück nach einem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (54) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Kunststoff auf Polyamidbasis, besteht.